高中化学人教版 (2019)选择性必修1化学反应的调控教案设计

这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1化学反应的调控教案设计，共13页。教案主要包含了学习目标，素养目标，教学过程等内容，欢迎下载使用。
【学习目标】
1 ．通过化学反应速率和化学平衡的影响因素，掌握合成氨工业中温度、压强、浓度、催化剂选择的原因。
2 ．利用化学反应原理，了解调控化学反应速率和平衡的方法。
3 ．结合工业生产实际，了解化工条件的选择。
【素养目标】
1.知道如何应用化学反应速率和化学平衡分析反应的适宜条件，体会应用化学原理分析化工生产条件的思路和方法。
2.认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要应用，探索最适宜的化工生产条件。
【教学过程】
1. 引课
利用新鲜出炉的 2022 年诺贝尔化学奖作为引课，简单介绍“点击化学 ”的内容与作用，揭露该领域对于人类发展的重要贡献。再引导学生回顾往年的诺贝尔化学奖， 通过三位科学奖获奖经历的简单介绍，引出合成氨反应。
2. 抛出问题
以合成氨反应为例分析工业生产上的硝酸制取，请学生结合高一已有知识自己设计思路 , 完成工业制硝酸的思路设计，并思考原料从哪里获得？经过什么样的物质变化？发生了哪些反应？
思路的设计主要目的在于帮助学生回顾与氮元素有关的相关转化知识，有利于后面分析固氮反应时缩短学生的准备时间，同时创建本节课的工业分析大环境，后面的合成氨反应条件改进也围绕这个主题展开。
3. 学生活动
学生讨论后给出答案，主体答案分为两种，区别主要在于如何固氮，大部分同学选择氮气和氢气合成氨气来进行氮元素的固定；有少部分的同学通过氮气和氧气化合成一氧化氮来实现后面的合成。
随后展示工业制硝酸的实际常用方法：氨氧化法是工业生产中制取硝酸的主要途径，其
主要流程是将氨和空气的混合气（氧：氮≈2：1）通入灼热（760～840℃)的铂铑合金网，在合金网的催化下，氨被氧化成一氧化氮（NO）。生成的一氧化氮利用反应后残余的氧气继续氧化为二氧化氮，随后将二氧化氮通入水中制取硝酸。
总结设计路线如下：
向学生抛出新的问题：两种固氮方法相比较，为什么选择了看上去更加“麻烦”的合成氨反应？
4. 分析问题
从化学平衡的视角，对两种合成氨反应进行分析：
通过化学平衡常数分析来看，还原法比氧化法更可行。随后对还原法进行自发性的分析：
通过简单计算，可得知该反应在常温下可以自发进行，于是大家通过理论分析，确定固氮反应选择合成氨来投入实施。
5. 背景介绍
有很多科学家常温常压下试图合成氨，也有很多科学家常温加压下进行合成氨的实验，最终都失败了，直到德国化学家哈伯向合成氨发起冲击。1908 年 7 月，他在实验室用氮气和氢气在 600 ℃、20 MPa 下得到了氨，但是产率只有 2%。为什么合成氨反应如此难实现？难点在哪？该如何提高合成氨反应的产率？
6. 理论分析
从勒夏特列原理分析如何通过平衡的移动提高合成氨反应的产率，得到如下表格：
通过控制变量法联系课本上的实验结果图像，复核理论推导的正确性，得出结论：低温可以提高平衡混合物中氨的含量；加压可以提高平衡混合物中氨的含量。并通过习题复习勒夏特列原理内容。
7. 再次思考
无论理论还是实验都说明，从化学平衡角度看，合成氨的适宜条件是原料气 n(N2):n(H2) ≈1:3，低温和高压，但为什么实际生产时按照这样的条件无法合成大量的氨气呢？还有什么因素制约了氨的合成？
原来是因为常温下合成氨反应的速率很慢，也就是说反应速率对最终的产率造成了很大影响。想要加快反应速率， 我们就需要通过改变反应历程来降低活化能，这个时候就需要催化剂的闪亮登场了。请学生们从加快化学反应速率的角度分析如何控制反应条件， 得到如下表格：
这时我们会发现，两次表格得到的条件并不完全一致，通过习题的练习让学生思考该如何处理。
8. 综合分析
所以我们要综合诸多因素再来审视合成氨的生产条件。首先我们看压强。无论从化学反应速率还是化学平衡上看，都是压强越大越好，但是如果压强过大，对设备耐压要求过高，反而增加成本，据说当年哈伯用的合成塔耐不住高压，只能用 3 天。所以综合成本与设备耐压，目前多采用 10~30MPa。
催化剂的使用不会改变氨气的平衡产率，却能极大程度的加快反应速率，提高单位时间内氨气的产量，因此我们选择使用催化剂，从前人的实验看来，最合适的催化剂为铁，其活性最好的温度为 500 ℃左右。
有了催化剂的限制，我们考虑温度时不能仅仅考虑温度对于合成氨反应速率的直接影响 , 而要将催化效率纳入综合考量。结合勒夏特列原理和催化效率两个方面的思路后，可以选择 400~500 ℃作为合成温度。
请学生观察表格，从压强与温度获得的最佳条件下，如 500 度、30MPA，达平衡时氨的含量才 26.4%，合成氨的平衡转化率仍不高，仍有大量的氮气和氢气未转化为氨气。如何找到提高氨含量的办法？那只能从浓度考虑了，可以及时移走氨，另外，没有反应的原料气氮气、氢气，它们物质的量比仍大约为 1 ：3，是不是还可以使用？这就是原料气的循环利用，工业上常用的降低成本的方法。
至此，我们终于找到了合成氨的适宜条件了！就是使用催化剂：温度控制在 400~500 ℃, 压强一般为 10~30M Pa，并且将氨及时分离出来。现在我国是氨的生产大国，2015 年我国液氨产量为近几年来的最高，达 5791.39 万吨。
9. 回顾小结
在实现工业生产之初，我们要选择可以自发进行的合适反应。有了具体的反应， 我们就要分析调控方法，调控重点是从化学平衡和化学反应速率角度分析如何选择反应条件，使工业生产最有利，即成本低，单位时间产率大等等，这就是化工生产中的调控反应。
亲身走过合成氨反应条件的理论分析历程，我们再来看一看三位诺贝尔奖的得主分别作出了什么杰出的贡献吧：
哈伯使用剧毒的锇作催化剂、压强控制在 17.5 MPa~20.0 MPa、500~600 ℃的条件下
实现了氨气的合成，但是产量不尽人意，最大氨含量仅在 6%左右，离投入工业生产还相去甚远。但是由于这个反应的发现，人类终于将自然固氮转变为人工固氮，摆脱了“靠天收 ”的日子，对于农业生产有非同凡响的意义。接下来的十几年内， 博施在哈勃的基础上进行了大量的实验，最终确定了铁作催化剂，并且开发了适合高温、高压下的合成设备， 成功的设计了获得大量廉价原料气的方法，从而将合成氨反应投入了工业生产。随着研究技术的发展，德国哈伯研究所的埃特尔教授的研究表明：在合成氨反应初期，氮分子被吸附在铁催化剂表 面，然后吸附在表面的氮气和氢气发生解离，氢气比较容易解离，而氮气难，进而确定吸附 的氮原子和氢原子是反应活性物，整个反应就是氮原子逐步加氢最终生成氨分子的过程，埃 特尔给出了每步反应的活化能。其中氮的吸附解离是速率控制步骤， 因此现在合成氨中氮气与氢气的物质的量之比不是理论值 1 ：3，而是氮气略过量，为 1 ：2.8。在科学飞速的发展 下，技术被不断创新，生产中的工艺或方法也在迭代更新，合成氨反应的发展历程中出现了 中国人的身影。2016 年中科院大连化学物理研究所研究团队研制合成了一种新型催化剂， 将合成氨的温度、压强分别降到了 350 ℃ 、1 MPa，这样的方法更加节能、降低成本。
10.首尾呼应
回到我们最开始思考——工业制硝酸，合成氨反应只是其中的一小步，却引发了这么多的思考。如果想要实现工业制硝酸， 我们还要考虑很多其他的问题，比如 NH3 氧化制 HNO3过程中,NH3 被氧化成 NO 仅需要 0.002s,但 NO 转化为 NO2 是一个"慢"反应，如何通过加快这个慢反应的速率来最终提高硝酸的产量呢？
合成氨反应作为制农药的基元，只需要把制备硝酸的历程再加一小步，就可以实现氮肥的制备，如下图：
而我们在工业生产中对于如何从化学平衡和化学反应速率的角度去调控生产条件的思考，绝不会止步于此。
11.本课总结
想要选择适宜的工业生产条件，需要我们：
（1）分析反应特点。主要分析反应的方向性、可逆性、反应热和熵变等。
（2）原理分析。根据反应特点， 利用影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析增大反应速率、提高原料转化率的反应条件。
（3）根据实验数据进一步分析反应条件，确定适宜条件的范围及催化剂的筛选。
（4）根据工业生产的实际情况、经济效益及环保要求等最终确定适宜的条件。
后面有机会，我们还会就如何从环保的角度选择原料、调控生产条件进行更深层次的探讨。